Файл: Audio Power Amp Design Handbook.pdf

Introduction and general survey

putting a specified load capacitance across the high-impedance output.
This does not appear to be a promising approach to making audio power
amplifiers.

!

Much  of  the  op-amp  material  is  concerned  with  the  common-mode
performance of the input stage. This is pretty much irrelevant to power
amplifier design.

!

Many  circuit  techniques  rely  heavily  on  the  matching  of  device
characteristics possible in IC fabrication, and there is also an emphasis
on minimising chip area to reduce cost.

!

A  good  many  IC  techniques  are  only  necessary  because  it  is  (or  was)
difficult  to  make  precise  and  linear  IC  resistors.  Circuit  design  is  also
influenced  by  the  need  to  keep  compensation  capacitors  as  small  as
possible, as they take up a disproportionately large amount of chip area
for their function.

The  material  here  is  aimed  at  all  audio  power  amplifiers  that  are  still
primarily built from discrete components, which can include anything from
10 W  mid-fi  systems  to  the  most  rarefied  reaches  of  what  is  sometimes
called the ‘high end’, though the ‘expensive end’ might be a more accurate
term. There are of course a large number of IC and hybrid amplifiers, but
since their design details are fixed and inaccessible they are not dealt with
here. Their use is (or at any rate should be) simply a matter of following the
relevant application note. The quality and reliability of IC power amps has
improved  noticeably  over  the  last  decade,  but  low  distortion  and  high
power  still  remain  the  province  of  discrete  circuitry,  and  this  situation
seems likely to persist for the foreseeable future.

Power amplifier design has often been treated as something of a black art,
with the implication that the design process is extremely complex and its
outcome not very predictable. I hope to show that this need no longer be
the case, and that power amplifiers are now designable – in other words it
is possible to predict reasonably accurately the practical performance of a
purely theoretical design. I have done a considerable amount of research
work on amplifier design, much of which appears to have been done for
the  first  time,  and  it  is  now  possible  for  me  to  put  forward  a  design
methodology  that  allows  an  amplifier  to  be  designed  for  a  specific
negative-feedback factor at a given frequency, and to a large extent allows
the  distortion  performance  to  be  predicted.  I  shall  show  that  this
methodology allows amplifiers of extremely low distortion (sub 0.001% at
1 kHz) to be designed and built as a matter of routine, using only modest
amounts of global negative feedback.

Misinformation in audio

Few  fields  of  technical  endeavour  are  more  plagued  with  errors,  mis-
statements and confusion than audio. In the last twenty years the rise of
controversial and non-rational audio hypotheses, gathered under the title

5

Audio Power Amplifier Design Handbook

Subjectivism has  deepened  these  difficulties.  It  is  commonplace  for  hi-fi
reviewers to claim that they have perceived subtle audio differences which
cannot be related to electrical performance measurements. These claims
include  the  alleged  production  of  a  ‘three-dimensional  sound-stage  and
protests that the rhythm of the music has been altered’; these statements are
typically produced in isolation, with no attempt made to correlate them to
objective  test  results.  The  latter  in  particular  appears  to  be  a  quite
impossible claim.

This volume does not address the implementation of Subjectivist notions,
but confines itself to the measurable, the rational, and the repeatable. This
is not as restrictive as it may appear; there is nothing to prevent you using
the methodology presented here to design an amplifier that is technically
excellent, and then gilding the lily by using whatever brands of expensive
resistor or capacitor are currently fashionable, and doing the internal wiring
with cable that costs more per metre than the rest of the unit put together.
Such  nods  to  Subjectivist  convention  are  unlikely  to  damage  the  real
performance; this is however not the case with some of the more damaging
hypotheses, such as the claim that negative feedback is inherently harmful.
Reduce the feedback factor and you will degrade the real-life operation of
almost any design.

Such  problems  arise  because  audio  electronics  is  a  more  technically
complex subject than it at first appears. It is easy to cobble together some
sort of power amplifier that works, and this can give people an altogether
exaggerated view of how deeply they understand what they have created.
In contrast, no-one is likely to take a ‘subjective’ approach to the design of
an  aeroplane  wing  or  a  rocket  engine;  the  margins  for  error  are  rather
smaller, and the consequences of malfunction somewhat more serious.

The Subjectivist position is of no help to anyone hoping to design a good
power amplifier. However, it promises to be with us for some further time
yet, and it is appropriate to review it here and show why it need not be
considered at the design stage. The marketing stage is of course another
matter.

Science and subjectivism

Audio engineering is in a singular position. There can be few branches of
engineering science rent from top to bottom by such a basic division as the
Subjectivist/rationalist dichotomy. Subjectivism is still a significant issue in
the hi-fi section of the industry, but mercifully has made little headway in
professional  audio,  where  an  intimate  acquaintance  with  the  original
sound,  and  the  need  to  earn  a  living  with  reliable  and  affordable
equipment,  provides  an  effective  barrier  against  most  of  the  irrational
influences. (Note that the opposite of Subjectivist is not ‘Objectivist’. This
term refers to the followers of the philosophy of Ayn Rand.)

6

Introduction and general survey

Most  fields  of  technology  have  defined  and  accepted  measures  of
excellence;  car  makers  compete  to  improve  MPH  and  MPG;  computer
manufacturers boast of MIPs (millions of instructions per second) and so on.
Improvement in these real quantities is regarded as unequivocally a step
forward.  In  the  field  of  hi-fi,  many  people  seem  to  have  difficulty  in
deciding which direction forward is.

Working  as  a  professional  audio  designer,  I  often  encounter  opinions
which, while an integral part of the Subjectivist offshoot of hi-fi, are treated
with ridicule by practitioners of other branches of electrical engineering.
The would-be designer is not likely to be encouraged by being told that
audio is not far removed from witchcraft, and that no-one truly knows what
they are doing. I have been told by a Subjectivist that the operation of the
human ear is so complex that its interaction with measurable parameters
lies  forever  beyond  human  comprehension.  I  hope  this  is  an  extreme
position; it was, I may add, proffered as a flat statement rather than a basis
for discussion.

I  have  studied  audio  design  from  the  viewpoints  of  electronic  design,
psychoacoustics, and my own humble efforts at musical creativity. I have
found  complete  scepticism  towards  Subjectivism  to  be  the  only  tenable
position. Nonetheless, if hitherto unsuspected dimensions of audio quality
are ever shown to exist, then I look forward keenly to exploiting them. At
this point I should say that no doubt most of the esoteric opinions are held
in complete sincerity.

The Subjectivist position

A  short  definition  of  the  Subjectivist  position  on  power  amplifiers  might
read as follows:

!

Objective measurements of an amplifier’s performance are unimportant
compared with the subjective impressions received in informal listening
tests.  Should  the  two  contradict  the  objective  results  may  be
dismissed.

!

Degradation  effects  exist  in  amplifiers  that  are  unknown  to  orthodox
engineering science, and are not revealed by the usual objective tests.

!

Considerable  latitude  may  be  employed  in  suggesting  hypothetical
mechanisms of audio impairment, such as mysterious capacitor short-
comings and subtle cable defects, without reference to the plausibility of
the concept, or the gathering of objective evidence of any kind.

I  hope  that  this  is  considered  a  reasonable  statement  of  the  situation;
meanwhile  the  great  majority  of  the  paying  public  continue  to  buy
conventional hi-fi systems, ignoring the expensive and esoteric high-end
sector where the debate is fiercest.

It may appear unlikely that a sizeable part of an industry could have set off
in a direction that is quite counter to the facts; it could be objected that

7

Audio Power Amplifier Design Handbook

such a loss of direction in a scientific subject would be unprecedented. This
is not so.

Parallel events that suggest themselves include the destruction of the study
of genetics under Lysenko in the USSR

[1]

. Another possibility is the study of

parapsychology,  now  in  deep  trouble  because  after  some  100  years  of
investigation  it  has  not  uncovered  the  ghost  (sorry)  of  a  repeatable
phenomenon

[2]

.  This  sounds  all  too  familiar.  It  could  be  argued  that

parapsychology is a poor analogy because most people would accept that
there was nothing there to study in the first place, whereas nobody would
assert that objective measurements and subjective sound quality have no
correlation at all; one need only pick up the telephone to remind oneself
what a 4 kHz bandwidth and 10% or so THD sounds like.

The  most  starting  parallel  I  have  found  in  the  history  of  science  is  the
almost-forgotten  affair  of  Blondlot  and  the  N-rays

[3]

.  In  1903,  Rene

Blondlot, a respected French physicist, claimed to have discovered a new
form of radiation he called ‘N-rays’. (This was shortly after the discovery of
X-rays  by  Roentgen,  so  rays  were  in  the  air,  as  it  were.)  This  invisible
radiation was apparently mysteriously refracted by aluminium prisms; but
the crucial factor was that its presence could only be shown by subjective
assessment of the brightness of an electric arc allegedly affected by N-rays.
No objective measurement appeared to be possible. To Blondlot, and at
least  fourteen  of  his  professional  colleagues,  the  subtle  changes  in
brightness  were  real,  and  the  French  Academy  published  more  than  a
hundred papers on the subject.

Unfortunately  N-rays  were  completely  imaginary,  a  product  of  the
‘experimenter-expectancy’  effect.  This  was  demonstrated  by  American
scientist Robert Wood, who quietly pocketed the aluminium prism during
a demonstration, without affecting Bondlot’s recital of the results. After this
the  N-ray  industry  collapsed  very  quickly,  and  while  it  was  a  major
embarrassment at the time, it is now almost forgotten.

The conclusion is inescapable that it is quite possible for large numbers of
sincere  people  to  deceive  themselves  when  dealing  with  subjective
assessments of phenomena.

A short history of subjectivism

The early history of sound reproduction is notable for the number of times
that  observers  reported  that  an  acoustic  gramophone  gave  results  indis-
tinguishable  from  reality.  The  mere  existence  of  such  statements  throws
light on how powerfully mind-set affects subjective impressions. Interest in
sound  reproduction  intensified  in  the  post-war  period,  and  technical
standards such as DIN 45–500 were set, though they were soon criticised
as  too  permissive.  By  the  late  1960s  it  was  widely  accepted  that  the
requirements for hi-fi would be satisfied by ‘THD less than 0.1%, with no

8

Introduction and general survey

significant  crossover  distortion,  frequency  response  20–20 kHz,  and  as
little  noise  as  possible,  please’.  The  early  1970s  saw  this  expanded  to
include  slew-rates  and  properly  behaved  overload  protection,  but  the
approach was always scientific and it was normal to read amplifier reviews
in which measurements were dissected but no mention made of listening
tests.

Following  the  growth  of  subjectivism  through  the  pages  of  one  of  the
leading  Subjectivist  magazines  (Hi-Fi  News),  the  first  intimation  of  what
was  to  come  was  the  commencement  of  Paul  Messenger’s  column
Subjective Sounds in September 1976, in which he said: ‘The assessment
will  be  (almost)  purely  subjective,  which  has  both  strengths  and  weak-
nesses, as the inclusion of laboratory data would involve too much time
and space, and although the ear may be the most fallible, it is also the most
sensitive  evaluation  instrument.’  Subjectivism  as  expedient  rather  than
policy. Significantly, none of the early instalments contained references to
amplifier sound. In March 1977, an article by Jean Hiraga was published
vilifying  high  levels  of  negative  feedback  and  praising  the  sound  of  an
amplifier with 2% THD. In the same issue, Paul Messenger stated that a
Radford valve amplifier sounded better than a transistor one, and by the
end  of  the  year  the  amplifier-sound  bandwagon  was  rolling.  Hiraga
returned  in  August  1977  with  a  highly  contentious  set  of  claims  about
audible  speaker  cables,  and  after  that  no  hypothesis  was  too  unlikely  to
receive attention.

The limits of hearing

In evaluating the Subjectivist position, it is essential to consider the known
abilities  of  the  human  ear.  Contrary  to  the  impression  given  by  some
commentators, who call constantly for more psychoacoustical research, a
vast  amount  of  hard  scientific  information  already  exists  on  this  subject,
and some of it may be briefly summarised thus:

!

The  smallest  step-change  in  amplitude  that  can  be  detected  is  about
0.3 dB for a pure tone. In more realistic situations it is 0.5 to 1.0 dB. This
is about a 10% change

[4]

.

!

The smallest detectable change in frequency of a tone is about 0.2% in
the band 500 Hz–2 kHz. In percentage terms, this is the parameter for
which the ear is most sensitive

[5]

.

!

The least detectable amount of harmonic distortion is not an easy figure
to  determine,  as  there  is  a  multitude  of  variables  involved,  and  in
particular the continuously varying level of programme means that the
level of THD introduced is also dynamically changing. With mostly low-
order harmonics present the just-detectable amount is about 1%, though
crossover effects can be picked up at 0.3%, and probably lower. There
is  certainly  no  evidence  that  an  amplifier  producing  0.001%  THD
sounds any cleaner than one producing .005%

[6]

.

9